面向CT成像的可重构X射线能谱探测与解析技术研究

摘要

医学CT以非侵入的方式获得人体内部组织断层影像，对疾病的早期预防和无创诊疗发挥了重要作用。能谱CT采用两种及以上的能谱对同一物质进行扫描投影，结合双能重建算法可以获得被扫描物质的原子序数及电子密度，相对于传统CT可以实现更加精确的物质分离和定性。目前，应用于临床的能谱CT系统都是通过预先设定有效能量段的方式进行扫描投影。针对于不同种类的待测物体，单一固定的能量段组合限制了CT成像的动态范围。 本文针对于双能CT成像的投影数据需求，提出了一种Edge-on型可分层的X射线能谱探测器像素结构，利用能量积分的方式实现X射线能谱的分段探测，并借鉴电荷耦合器件信号传输方式实现光生电荷高效转移读出；基于上述探测器像素的结构基础，提出了一种能谱分段探测及重构解析的方法，通过积分不同位置及深度的半导体内光生电荷并重构解析方程，可以获得不同能量段组合的投影信息；针对于探测器像素中存在的“高能拖尾”现象，本文提出了一种能谱校正技术，可以近似估算并且移除由于高能段光子在半导体探测器浅层位置吸收时产生的冗余电荷，提高两个能谱之间的分离度。 本文通过数值仿真实验验证了 Edge-on 型探测器像素结构及能谱重构解析-校正方法的有效性。首先利用半导体器件仿真工具对像素建模并模拟了 X 射线探测及光生电荷转移过程；然后利用解析后的动态双能能谱对自定义的体模进行了图像重建。结果表明：利用不同深度的层内产生的光生电荷信息，该探测器可以在一次X射线曝光的情况下获得多个能量段的X射线衰减信息；对于动态双能组合，能谱校正方法的平均误差为7.31%，该方法可以被用来近似估计高能段光子在浅层半导体中激发的光生电荷量；在不同的能量组合下，体模图像重建质量存在差异，可重构调整的能量窗口不仅降低了病人辐射剂量，丰富了投影数据，而且可以针对不同的物体选择最优化的能谱段进行图像重建，提升了CT成像系统的动态范围及精度。

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